霍尔效应

[复制链接]
 楼主| xukun977 发表于 2020-3-28 08:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 xukun977 于 2020-3-28 09:02 编辑


问题的提出:

从中学物理开始,就说导体靠自由电子导电的,那么钨丝灯泡靠什么做功发热的?

答案是钨丝靠的是空穴发热而发光的。判断依据是钨丝的霍尔系数RH=+1.18*10^-4,而铜是-0.55*10^-4!所以铜中主要载流子是不出所料的电子。




霍尔效应在半导体中研究中同样有用。这里先给出霍尔系数的推导!


霍尔测量洋品的形状如下图,很长很薄的样品上,连接出6个接线柱A,B,C,D,E,F,其中A和B接在恒流源I上,C和D以及E,F接理想电压表(理论上不能吸收电流)。
直角坐标系见图中左下角,其中Z的正方向,是垂直于电脑屏幕向外的!!!




271745e7e9d14357b5.png



电流I是由于电子以平均速度v由B向A运动形成的,如果对此半导体样品施加指向+Z方向的DC磁场,那么这些平均电子上受力F=-qv×B,电子将向-y方向运动,因为在y方向上没有直流通路,于是F上只能积累负电荷,E上积累正电荷。于是积累的电荷将建立起电场,方向是从E指向F,对电子来说,电场想让电子沿+y方向运动,而磁场力的方向完全相反。
可以想象,当电荷积累到一定程度,电场力和磁场力将建立起平衡,也就说到了稳态,此时二者平衡:


19265e7ea126e7b3d.png


如果把vx写成电流密度的表达式,可以得到霍尔系数的表达式RH=-1/nq

128715e7ea17340cd3.png



如果用迁移率表示Vx,可得迁移率测量公式:

144605e7ea1f9c80ce.png



 楼主| xukun977 发表于 2020-3-28 09:48 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-3-28 10:38 编辑

在大学物理教科书中,公式推导到这一步,任务就结束了,但是我们的故事才刚刚开始。

请仔细看清楚了,样品比较长,基本上截面积是不变的,6个连接线柱的影响可以忽略,所以可认为电流是均匀的,即电流I/截面积=Jx,Jx是恒定的!!
上面公式中的Ex和Ey更是易得:CD上测量到的电压除以CD间的距离,就是Ex,同理,Ey是EF上测量电压除以样品的宽度。

如果以上所言不虚,那么根据上面两个表达式,容易求得载流子密度n和迁移率u!因为Ex,Ey,Bz,Jx都是已知或可测量!!!


529245e7eaeb6905ed.png


211935e7eaed144e70.png



如果事实果真如此,那么根据霍尔效应研究半导体材料,可就简单死了!!!!


实际上,上面推导过程中,下式使用平均速度Vx是不合适的!因为电场力与电子速度无关,但对磁场力并非如此。

951155e7eb76a85a08.png




所以固体物理中,使用量子力学理论,推导出正确的霍尔系数表达式,是在上面表达式基础上,乘以ueH/ueD,而这个比值还与掺杂浓度有关,所以复杂了。

考虑到这一点,对于n型锗,霍尔系数修正为RH=-0.93/nq,P型锗修正为RH=1.4/pq



说明:
我们这个版块比较难搞,进退两难
因为如果限定内容于常见的教材或市场上常见书籍,我感觉这个版块没有存在的必要,因为电工都识字,自己都能看懂本科教材。如果发帖说这些内容,还有什么意思???
想在教材的基础上延申,网友又反应看起来有点难度。老是看不懂,人家就不想看了。
活难干了。

现在网络上有非常非常多的培训、视频,据说嘉利创也要邀请专家做收费视频,不管如何,有两点是肯定的:①不管实战家实战到什么程度,都需要一定的理论做支撑,看看实战视频目录即可验证此结论;②即便是请院士给网友讲几个小时,也不能听完就功力增长十倍,知识积累是需要时间的,需要慢慢消化、琢磨的。

 楼主| xukun977 发表于 2020-3-28 10:27 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-3-28 10:32 编辑


实验时,E和F想要【对准】都是困难的!!!



702975e7eb5e85b70a.png



解决方法是添加一个滑动变阻器,滑动可变电阻器的触点,直到V2=0,意味着E和F精确对准了。
当然了,实际上V2也不是直接用电压表测量的,而是添加一个差分放大器,测量差分放大器的输出电压。

291485e7eb691c4e90.png

您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

个人签名:模电讨论兴趣小组群微信号:xukun977

1897

主题

22577

帖子

295

粉丝
快速回复 在线客服 返回列表 返回顶部
个人签名:模电讨论兴趣小组群微信号:xukun977

1897

主题

22577

帖子

295

粉丝
快速回复 在线客服 返回列表 返回顶部